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Mikroplastik ist nicht gleich Mikroplastik

Scheinbar identische Polystyrol-Partikel können unterschiedlich zellschädigend sein

Mikroplastik-Partikel
Obwohl die Kügelchen chemisch identisch sein sollten, können sich Mikroplastik-Partikel enorm unterscheiden. © Julia Jasinski

Schwer vergleichbar: Mikroplastik desselben Polymers kann je nach Hersteller unterschiedliche biologische Wirkungen entfalten, wie eine Studie belegt. Trotz vermeintlich gleicher chemischer Zusammensetzung sind einige dieser Kügelchen zellschädigender als andere. Diese Unterschiede könnten auch erklären, warum Toxitizitätsstudien bisher so widersprüchliche Ergebnisse erbrachten, wie die Forscher berichten.

Mikroplastik ist längst ein weltweites Umweltproblem. Fast überall finden sich solche teils nur wenige Mikrometer große Kunststoffpartikel. Es gibt sie in den Ozeanen und den Meeresbewohnern, aber auch schon menschliche Säuglinge sind von Mikroplastik betroffen. Über die Nahrung können die Partikel sogar bis ins Gehirn dringen und dort Zellen schädigen.

Teils widersprüchliche Forschungsergebnisse

Doch welche Schadwirkung das Mikroplastik in Geweben und Zellen hat und wovon dies abhängt, ist bislang erst ein Teilen geklärt. Bei Tests hierzu kommen häufig kugelförmige Polystyrol-Partikel zum Einsatz, die speziell für Forschungszwecke hergestellt werden. Polystyrol ist ein weit verbreiteter Kunststoff, aus dem beispielsweise auch Styropor hergestellt wird.

Obwohl die bei den Mikroplastik-Untersuchungen eingesetzten Partikel meist auf gleiche Weise hergestellt wurden und auch eine identische chemische Zusammensetzung hatten, kam es in bisherigen Studien häufiger zu widersprüchlichen Ergebnissen. Ein Team um Anja Ramsperger von der Universität Bayreuth hat nun eine der möglichen Fehlerquellen solcher Forschungen aufgedeckt.

Polystyrol-Partikel auf dem Prüfstand

Die Wissenschaftler untersuchten dafür Polystyrol-Partikel von zwei unterschiedlichen Herstellern. Ein Testkandidat waren Kügelchen von der US-Firma Polysciences, die anderen stammten von dem Hersteller Micromod aus Rostock. Beide Firmen gaben an, das Mikroplastik mittels sogenannter Emulsionspolymerisation herzustellen, auch die Größe der Partikel war nahezu identisch. Ein Unterschied: Polysciences legt seine Kügelchen nach der Herstellung in 0,05-prozentiges Natriumazid ein, um Bakterienwachstum zu verhindern. Micromod verwendet laut eigenen Angaben nur Wasser hierfür.

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Das Team um Ramsperger untersuchte das Polystyrol-Mikroplastik einerseits auf seine molekulare Zusammensetzung und andererseits auf die elektrische Ladungsverteilung an der Oberfläche der Partikel, das sogenannte Zeta-Potential. Im Laufe der Untersuchung setzten sie auch Mäuse-Modellzellen dem Mikroplastik aus. Die Wissenschaftler maßen das Zeta-Potential der Kügelchen zu drei verschiedenen Zeitpunkten: direkt nach der Anlieferung, nachdem sie die Partikel mit Reinstwasser gewaschen hatten und nach der Interaktion mit den lebenden Zellen.

Große Unterschiede in der Ladungsverteilung

Das Ergebnis: Obwohl die Polystyrol-Partikel laut den Herstellern identisch waren, wiesen sie deutliche Unterschiede in ihrer elektrischen Ladung und dadurch in ihrem Einfluss auf lebende Organismen auf. Während die Kügelchen der Firma Polysciences bei Anlieferung und nach dem Waschen ein elektrisches Potential von etwa minus 80 Mikrovolt hatten, waren die Micromod-Partikel nahezu ungeladen.

Dieser Unterschied manifestierte sich letztendlich in den Modellzellen: Das kaum geladene Mikroplastik dockte nur äußerlich an diese an. Die Polysciences-Partikel hingegen wurden teilweise komplett von Zellstrukturen umgeben und störten so auch nachweislich den Stoffwechsel und das Zellwachstum.

„Unsere Studie zeigt eindrucksvoll, wie problematisch es ist, verallgemeinernde Aussagen über gesundheitliche oder ökologische Auswirkungen von Mikroplastik machen zu wollen“, sagt Seniorautor Christian Laforsch von der Universität Bayreuth. „Die Replizierbarkeit von Experimenten muss in der Mikroplastik-Forschung höchste Priorität haben – gerade wenn es um die Untersuchung gesundheitlicher Auswirkungen geht“, fügt Ramsperger hinzu.

Auslöser: Molekülgruppen an der Oberfläche

Die unterschiedlichen Eigenschaften der Polystyrol-Partikel rühren laut den Forschern unter anderem von der Struktur und der Anordnung der langkettigen Kunststoffmoleküle her. So konnten sie bei den Partikeln von Polysciences negativ geladene Sulfatgruppen an der Kugeloberfläche nachweisen, wodurch die Ladungsverteilung im Gegensatz zu den Micromod-Kügelchen dort deutlich homogener war.

Die anionischen Sulfatgruppen des von Polysciences hergestellten Mikroplastiks sorgen letztlich dafür, dass die Kügelchen zwischenmolekulare Anziehungskräfte, sogenannte Van-der-Waals-Kräfte, ausbilden. Das erklärt laut den Forschern auch, warum die Kügelchen tiefer in das lebende Gewebe eindringen können.

Bessere Charakterisierung nötig

Das Ergebnis der Wissenschaftler demonstriert, dass selbst Mikroplastik des gleichen Polymertyps nur schwer miteinander vergleichbar ist. Die kleinen Unterschiede der scheinbar gleichen Partikel sind laut den Forschern essentiell für zukünftige Untersuchungen und müssen vor jeder Studie sorgfältig charakterisiert werden.

„Es gibt zahlreiche toxikologische Studien, die den Auswirkungen von Mikroplastik auf lebende Organismen auf die Spur kommen wollen. Aber erst wenn wir die chemische Zusammensetzung und die Oberflächeneigenschaften der dabei verwendeten Partikel im Detail kennen, lassen sich diese Studien wissenschaftlich vergleichen“, resümiert Ramsperger. „Künftig werden wir in Bayreuth die in unseren Versuchen eingesetzten Mikropartikel noch genauer unter die Lupe nehmen.“ (Journal of Hazardous Materials, 2021; doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127961)

Quelle: Universität Bayreuth

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